多介質環境汙染過程與生態效應：以烏蘭木倫河流域煤礦區為例

第1章?緒論 1
1.1　流域煤礦區重金屬分布、來源與風險研究 2
1.1.1　不同環境介質中重金屬分布特征 2
1.1.2　重金屬來源解析 3
1.1.3　重金屬風險評價 4
1.2　
流域煤礦區多介質環境重金屬的遷移轉化規律研究 5
1.2.1　重金屬的賦存形態 5
1.2.2　重金屬界面遷移的影響因素 6
1.2.3　重金屬在不同環境介質中的遷移途徑 7
1.3　流域煤礦區重金屬遷移轉化模擬方法研究 8
1.3.1　理論模型模擬 8
1.3.2　基於機器學習模型的重金屬界面遷移轉化模擬 9
1.4　
流域煤礦區地表形變監測技術與地下水反演研究 11
1.5　流域景觀生態格局與生境質量模型研究進展 12
第2章?烏蘭木倫河流域煤礦區概況與研究數據獲取 16
2.1　流域煤礦區概況 16
2.1.1　地理位置 16
2.1.2　流域水系 16
2.1.3　水文地質 17
2.1.4　地形地貌 19
2.1.5　氣象條件 20
2.1.6　土壤與植被特征 21
2.2　研究數據獲取 21
2.2.1　樣品的采集與處理 21
2.2.2　實驗方法 23
2.2.3　遙感數據 26
第3章?流域煤礦區不同環境介質的礦物組成與基礎理化特征 37
3.1　煤矸石的礦物組成 37
3.2　流域煤礦區周圍土壤礦物組成與質地分布 39
3.3　流域煤礦區周圍土壤理化性質變化特征 41
3.3.1　不同土地利用類型土壤理化性質的變化 41
3.3.2　不同開采區域土壤理化性質的變化 42
3.3.3　土壤理化性質的垂向變化特征 43
3.4　地表水的水化學組成與水質特征 45
3.4.1　地表水的水化學組成 45
3.4.2　地表水的水質特征 45
3.5　沈積物的理化特征 47
3.5.1　沈積物粒度組成分析 47
3.5.2　沈積物理化特征分析 48
第4章?流域煤礦區多環境介質中重金屬的分布特征與賦存形態 49
4.1　煤矸石中重金屬的含量和形態 49
4.1.1　煤矸石中重金屬的含量 49
4.1.2　煤矸石中重金屬與主量元素的共生關系 49
4.1.3　煤矸石中重金屬的賦存形態 52
4.1.4　煤矸石中重金屬的富集特征 57
4.2　
流域煤礦區周圍土壤中重金屬的空間分布與賦存形態 58
4.2.1　土壤中重金屬含量的統計分析 58
4.2.2　土壤中重金屬的空間分布特征 59
4.2.3　土壤中重金屬的垂直分布特征 60
4.2.4　土壤中重金屬的形態分析 61
4.3　地表水體中重金屬的含量和空間分布 62
4.4　沈積物中重金屬的分布和形態 65
4.4.1　沈積物中重金屬的分布 65
4.4.2　沈積物中重金屬的形態分析 66
第5章?流域煤礦區土壤和水環境中重金屬來源解析與生態健康風險評價 68
5.1　環境受體來源解析 68
5.1.1　流域煤礦區周圍土壤中重金屬的PMF模型來源解析 69
5.1.2　地表水中重金屬的PMF模型來源解析 71
5.1.3　沈積物中重金屬的APCS-MLR來源解析 74
5.2　
流域煤礦區周圍土壤中重金屬的生態健康風險評價 75
5.2.1　基於不同土地利用類型的土壤重金屬潛在生態風險評價 80
5.2.2　基於地累積指數法的土壤重金屬汙染評價 81
5.2.3　基於土壤暴露參數的人體健康風險評價 82
5.2.4　重金屬來源對健康風險評價的耦合模型 83
5.3　地表水環境重金屬的綜合汙染評價 85
5.3.1　水體中重金屬的概率健康風險評價 85
5.3.2　沈積物中重金屬生態風險綜合評價 89
5.3.3　源導向健康風險評價 90
第6章?流域煤礦區不同環境介質重金屬遷移規律及影響因素分析 92
6.1　煤矸石中重金屬的淋溶釋放特征 92
6.1.1　連續靜態浸泡條件下重金屬的浸出特征 92
6.1.2　動態淋溶條件下重金屬的釋放特征 102
6.2　流域煤礦區周圍土壤中重金屬的遷移規律 105
6.2.1　不同開采條件下重金屬的遷移特征 105
6.2.2　不同水平距離重金屬的遷移特征 106
6.2.3　不同高程重金屬的遷移特征 106
6.2.4　不同土地利用類型重金屬的遷移特征 107
6.2.5　土壤重金屬的垂向遷移特征 108
6.3　土壤環境重金屬遷移轉化驅動因素分析 109
6.3.1　土壤理化性質與重金屬含量的主成分分析 109
6.3.2　環境因子對土壤重金屬形態的影響 111
6.3.3　多因子綜合作用對土壤重金屬汙染風險的影響因素識別 112
6.4　水環境重金屬遷移轉化驅動因素分析 114
6.4.1　不同環境因子對地表水中重金屬含量與風險的影響 114
6.4.2　沈積物中重金屬的分布形態及其對遷移轉化的影響 115
6.4.3　環境因子對水—沈積物界面重金屬分配系數的影響 116
6.4.4　煤礦開采對地表水環境的影響 117
6.5　多環境介質中重金屬遷移規律與影響因素分析 119
6.5.1　多環境介質的化學和礦物組成對比分析 119
6.5.2　多環境介質中重金屬元素的相關性分析 119
6.5.3　多環境介質中重金屬形態分布的聯系 121
第7章?特征重金屬在多環境介質中的界面遷移過程與機器學習模擬 122
7.1　
土壤—水界面特征重金屬的生物有效性及遷移動力學過程 122
7.1.1　土壤—水界面有效態與溶解態重金屬的垂向分布特征 122
7.1.2　特征重金屬在土壤—水界面的擴散通量 125
7.1.3　基於DIFS模型模擬特征重金屬在土壤—水界面的動力學過程 126
7.2　
沈積物—水界面特征重金屬的源匯機制及遷移效應 130
7.2.1　沈積物—水界面有效態與溶解態重金屬的垂向分布特征 130
7.2.2　特征重金屬在沈積物—水界面的擴散通量 133
7.2.3　基於DIFS 模型模擬特征重金屬在沈積物—水界面的動力學過程 134
7.3　
基於3種機器學習的土壤/沈積物重金屬吸附量預測 138
7.3.1　重金屬吸附量機器學習模擬的關鍵特征因子篩選 138
7.3.2　重金屬吸附量機器學習模擬結果分析 139
7.3.3　GBDT模型驗證 141
第8章?煤礦區地表形變與地下水關系研究 143
8.1　煤礦區地表形變特征 143
8.1.1　地表形變驗證與分析 143
8.1.2　地表形變速率結果與分析 144
8.1.3　地表形變特征分析 145
8.1.4　時序累積地表形變分析 146
8.1.5　地質災害勘探 148
8.2　基於GRACE重力衛星的區域水量變化分析 150
8.2.1　陸地水儲量時空變化分析 150
8.2.2　土壤水、冰雪水、冠層水變化分析 153
8.2.3　地下水儲量時空變化分析 155
8.3　地下水儲量變化與地表形變關系分析 160
8.3.1　地下水儲量變化的空間影響因素與特征分析 160
8.3.2　多因素變化與地下水儲量變化的相關性分析 164
8.3.3　礦區地下水儲量變化與地表形變相關性分析 165
第9章?烏蘭木倫河流域景觀生態格局研究 170
9.1　流域景觀生態格局研究方法與評價指標 170
9.1.1　深度學習地物分類方法 170
9.1.2　景觀生態風險模型 171
9.1.3　烏蘭木倫河流域生態環境質量估算相關方法 173
9.1.4　目標檢測研究方法 175
9.2　基於深度學習算法的流域地物分類 178
9.2.1　遙感影像地物分類標誌和解譯標誌 178
9.2.2　影像去雲處理與樣本點選取 179
9.2.3　基於深度學習算法的遙感影像分類流程 180
9.2.4　不同分類算法對比 181
9.2.5　烏蘭木倫河流域遙感影像分類結果 181
9.2.6　烏蘭木倫河流域土地利用分類精度評價 182
9.2.7　烏蘭木倫河流域土地利用轉移矩陣 184
9.3　
基於景觀生態模型的烏蘭木倫河流域生態安全性分析 186
9.3.1　烏蘭木倫河流域漁網劃分 186
9.3.2　景觀斑塊數量與斑塊面積 188
9.3.3　景觀格局指數分析 188
9.3.4　烏蘭木倫河流域景觀生態風險分析 192
9.4　流域生態環境質量研究 193
9.4.1　InVEST-HQ模型參數設置 193
9.4.2　生態環境質量指數結果分析 194
9.4.3　烏蘭木倫河流域生態環境質量時空變化特征 196
9.4.4　威脅因素分析 197
9.4.5　流域生態環境質量指數分析 198
9.4.6　流域RSEI指數 200
9.4.7　中部子流域樹木檢測與長勢分析 207
參考文獻 212